Варианты сборки и монтажа ячеек эвс, в том числе с применением техники поверхностного монтажа
Для правильного выбора разновидностей и последовательности сборочно-монтажных технологических операций при изготовлении ячеек ЭВС важно знать конструкторско-технологические варианты их реализации. В настоящее время изготовление ячеек ЭВС немыслимо без применения техники поверхностного монтажа (ТПМ) компонентов, которая способствует дальнейшей миниатюризации ЭУ при увеличении их функциональных возможностей, улучшении функциональных параметров и повышении эксплутационной надежности готовых изделий. Эти преимущества ТПМ обеспечиваются за счет:
применения ПМК в микрокорпусах и типа чип-конструкций (с шагом выводов 1,25 мм и менее); кристаллодержателей СБИС (УБИС) с ленточными выводами либо выводными площадками, в том числе матричными (с шагом 0,6 мм и менее);
использования коммутационных плат (КП), преимущественно многослойных, с шириной проводящих дорожек и расстояниями между ними 0,2 мм и менее;
самых перспективных технологий сборки и монтажа, реализуемых с помощью гибко-автоматизированных технологических модулей (или линий) со встроенными средствами контроля и работающих по программе.
По мере освоения и внедрения техники поверхностного монтажа (ТПМ) в производство ЭВС при изготовлении ячеек наметились три варианта реализации их сборки и монтажа с применением ТПМ (варианты I – III, рис. 9.5) и только один вариант иногда используется без применения ТПМ (вариант IV, рис. 9.5):
первый (I) – чисто поверхностный, когда поверхностно-монтируемые компоненты (ПМК) устанавливаются и монтируются с одной или с двух сторон КП (см. рис. 9.5, вариант 1,а и б);
второй (II) – смешанно-разнесенный, когда с одной стороны платы устанавливаются и монтируются только простейшие ПМК, а с другой – только традиционно-монтируемые компоненты (ТМК), т.е. те, которые предназначены для сборки и монтажа в сквозных отверстиях КП (см. рис. 9.5, вариант II);
третий (III) – полностью смешанный, когда сборка и монтаж ПМК и ТМК (без ограничения, либо с ограничением по сложности конструкции) осуществляются с одной либо с двух сторон платы (см. рис. 9.5, вариант III). Он имеет наибольшее количество разновидностей реализации (см. рис. 9.5, вариант III, а – г), зависящих в основном от степени сложности конструкций ПМК, количества монтажных поверхностей, разнообразия методов и средств реализации сборки и монтажа. На рис.9.6 представлен общий алгоритм реализации всех трех вариантов сборки и монтажа ЭУ с применением ТПМ (в том числе с учетом их разновидностей);
четвертый (IV) – чисто традиционный, когда ТМК (без ограничения по сложности) устанавливаются и монтируются с одной стороны платы, либо, что крайне редко, с двух сторон ПП, причем с обратной стороны устанавливают только единичный ТМК (см. рис. 9.5, а, б), но в любом случае вариант IV неэффективен и, следовательно, неперспективен. Это связано не только с потребностью в монтажных отверстиях (при этом существенно возрастают массогабаритные показатели и ограничиваются функциональные возможности ЭУ), но и с потенциально большими затратами на сборочно-монтажные операции, т.к. стоимость автоматов для их выполнения существенно превышает затраты на автоматизацию данных операций в ТПМ. Поэтому целесообразность выбора варианта IV может быть в некоторых случаях оправданна дефицитностью ПМК, либо потребностями макетирования ЭУ.
Вариант I характеризуется максимальной плотностью компоновки и степенью миниатюризации (особенно двухсторонний поверхностный монтаж (ПМ)); самым высоким уровнем автоматизации высокоточной сборки при высокой воспроизводимости и малом разбросе электрофизических параметров ЭУ; одноступенчатым, автоматизированным, групповым процессом пайки; повышенной эксплуатационной надежностью и улучшенными выходными характеристиками ЭУ; потенциально низкими затратами на изготовление (а, следовательно, низкой себестоимостью изделий) и высоким выходом годных ЭУ; уменьшением объема ЭУ на 40 – 75% в сравнении с техникой
Рис.9.5. Варианты сборки и монтажа ячеек ЭУ; I – сборка и монтаж любого набора компонентов только на поверхность платы на одной ее стороне (а) и с двух сторон (б); II – смешанно-разнесенные сборка и монтаж, т.е. ТМК с лицевой стороны платы, а простейшие ПМК – с обратной стороны платы; III – полностью смешанные сборка и монтаж, т.е. ТМК и ПМК – с лицевой стороны платы (а), ТМК и ПМК – с лицевой стороны платы и только простейшие ПМК – с обратной стороны платы (б), любой набор ПМК – с двух сторон платы и ТМК с одной стороны платы (в); любой набор ПМК и ТМК с двух сторон платы (в том числе и специальных компонентов) (г); IV – традиционные сборка и монтаж, т.е. все ТМК – с одной стороны платы (а) и большая часть ТМК с лицевой стороны, а единичные ТМК с обратной стороны платы (б).
Рис.12.1. Алгоритм реализации I-III вариантов технологий сборки и монтажа с применением ТПМ; 1 – комплектация ПМК и загрузка в накопители; 2 – входной контроль ПМК; 3 – комплектация КП и загрузка в накопители; 4 – очистка КП; 5 – входной контроль КП; 6 – комплектация ТМК и загрузка в накопители; 7 – входной контроль ТМК; 8 – подготовка ТМК; 9 – реализация сборки и монтажа по варианту I; 10 – нанесение припойной пасты и контроль качества трафаретной печати; 11 – установка (позиционирование) ПМК на КП; 12 – контроль качества (КК) позиционирования; 13 – потребность в сборке ПМК с другой стороны КП; 14 – переворот КП; 15 – монтаж ПОДП; 16 – очистка смонтированного изделия; 17 – контроль качества смонтированной ячейки; 18 – наличие дефектов у смонтированного изделия; 19 – анализ и устранение дефектов; 20 – передача на приемосдаточные испытания; 21 – реализация сборки и монтажа по вариантам II либо III, начиная с лицевой стороны КП; 22 – нанесение припойной пасты и (или) клея, установка ПМК, ПОДП (при необходимости); 23 – потребность в сборке и монтаже ТМК на этой же стороне КП; 24 – нанесение клея, позиционирование ПМК на КП; 25 – установка ТМК; 26 – потребность в сборке и монтаже ТМК и ПМК, включая специальные; 27 – возможные ручные сборка и монтаж ТМК, сложной конструкции ПМК, специальных компонентов с переворотом КП или без него, а также монтаж ПОДП и ПДВП; 28 – монтаж ПДВП.
традиционного монтажа (ТМ). Однако полная реализация преимуществ этого варианта требует не малых первоначальных затрат (особенно на технологическое оборудование); решения проблем согласования по ТКЛР материалов КП и компонентов, а иногда и теплоотвода, дефицита отдельных ПМК, а также переквалификации специалистов.
Технология реализации варианта I, даже для самой сложной ее разновидности (см. рис. 9.5, вариант I, б), требует наименьшего времени выполнения всех технологических этапов (таких как нанесение прийной пасты на КП, сборка ПМК на КП, монтаж пайкой ОДП, очистка смонтированных ЭУ при учете всех видов технологического контроля) в сравнении с другими вариантами за счет преимущественного использования групповых автоматизированных процессов и средств их осуществления. Кроме того вариант I не требует ограничения по сложности конструкций ПМК, что существенно расширяет сферу применения ЭУ, изготовленных по данной технологии.
Вариант II отличается некоторым выигрышем по плотности монтажа в сравнении с ТМ; уменьшением объема ЭУ на 10 – 30% (по сравнении с ТМ); одноступенчатым автоматизированным, групповым процессом пайки, пригодным для ТМ и ПМ, что упрощает выбор технологического оборудования и снижает затраты на его приобретение (например, можно использовать имеющуюся для ТМ установку пайки волной припоя при некоторой ее модернизации). Кроме того, вариант II предусматривает наименьшее число технологических операций в сравнении с другими вариантами. Однако преимущество ТПМ при использовании этого варианта реализуются меньше чем на половину, главным образом из-за ограничений по степени сложности конструкций ПМК, по их нагревостойкости, по уровню дефектности паянных соединений после пайки волной (или двойной волной) припоя (так как волна припоя не обеспечивает его точного дозирования), а качество паек при этом во многом зависит от количества, шага и формы выводов ПМК, точности размеров клеевых соединений, плотности размещения и высоты посадки ПМК на КП, от расположения выводов (по одной, двум или четырем сторонам корпуса ПМК и др.). Не менее важны в этом случае и повышенные требования к адгезивам, касающиеся, например, их быстрого «схватывания». Рекомендуемыми для варианта II типами ПМК (выдерживающих температуру волны расплавленного припоя) являются чип-конструкции (резисторов, конденсаторов, индуктивностей и др.) с типоразмерами не менее 0805; SOT, SOD; SOIC с L-образными выводами (для ИС в количестве не более 14), а в исключительных случаях – кристаллодержатели с L-образными (либо планарными) выводами и ограниченным до 16 количеством выводов.
Для варианта III характерны: большой выбор ПМК и ТМК, в том числе с учётом оптимизации выбора по их стоимости, сложности конструкции, выходным функциональным параметрам, массогабаритным показателям, температурной совместимости с материалами КП, минимальному количеству сборочных автоматов и другим критериям; большая точность монтажа, чем при реализации варианта II; уменьшение объема ЭУ на 20 – 60% по сравнению с ТМ; возможность использования, наряду с новыми, традиционных средств для сборки и монтажа; возможность изготовления уникальных ЭУ (как в отношении конструкции, так и функциональных особенностей). Однако в отдельных разновидностях его реализация (например, вариант III, в, г, см. рис. 9.5) невозможна без применения ручных процессов сборки и монтажа ТМК. Вместе с тем этот вариант требует дополнительных средств реализации сборочных и монтажных операций (при этом увеличивается парк технологического оборудования и количество разнообразной оснастки), многоступенчатого процесса пайки, а также затрудняет выполнение операций контроля, испытаний и устранения дефектов сборки и монтажа смонтированных ЭУ. Таким образом, данный вариант сборки и монтажа является самым сложным и дорогим при реализации, особенно если речь идет о его наиболее сложных разновидностях в, г (см. рис.9.5, вариант III). И тем не менее, преимущественное использование разновидностей варианта III характерно для современных производств, адаптирующихся к требованиям и условиям ТПМ.
Выбор необходимого варианта сборки и монтажа в ТПМ пока еще во многом определяется элементной базой, но со временем этот критерий будет касаться только специальных СБИС (УБИС) во взаимосвязи с функциональными особенностями ЭУ и с учетом максимальной реализации преимуществ ТПМ. Критерий уменьшения объема ЭУ, изготовленных с применением ТПМ по сравнению с традиционно-монтируемыми изделиями, в конкретных производственных условиях может изменяться в более широком (чем указано ранее) диапазоне для каждого варианта даже между предприятиями-изготовителями ЭУ, но максимальное использование ТПМ позволяет получить большее значение этого критерия.
В заключение важно отметить, что стремительное развитие ТПМ связано, в первую очередь, с постоянным совершенствованием конструкторско-технологических разработок ПМК. Этим объясняется возрастающее разнообразие ПМК как в различном корпусном, так и бескорпусном исполнении, что приводит к увеличению разновидностей конструкторско-технологических реализаций в пределах каждого из вариантов I – III (см. рис. 9.5).
В частности, стандартами IPC-7070, j-STD-013 и др. (США, Японии) предположена следующая классификация конструкторско-технологических разновидностей реализации современных ячеек ЭУ:
тип 1 – компоненты устанавливаются только на одной стороне печатной платы (ПП), т.е. односторонние сборка и монтаж НК;
тип 2 – компоненты устанавливаются на обе стороны ПП, т.е. двусторонние сборка и монтаж НК;
а для определения сложности проектирования конструкций ячеек и сборочно-монтажных ТП их реализации, предложены дополнительно шесть классов, в которых отражена возможность использования как ТМК, так и ПМК в разных соотношениях, причем для ПМК оговаривается степень сложности их конструкторского исполнения:
класс A – используются только ТМК;
класс B – используются только ПМК;
класс C – используются смешанные наборы ТМК и ПМК, последние с ограничением по сложности конструкций (т.е. простые конструкции и конструкции средней сложности);
класс X – используются комплексно-смешанные наборы ТМК и ПМК, в том числе корпуса ПМК с мелкошаговыми выводами типа FQFP и с матричными выводными площадками типа BGA;
класс Y – используются комплексно-смешанные наборы ТМК и ПМК, в том числе корпуса ПМК со сверхмелкошаговыми (ленточными) выводами типа QFTP и с шариковыми выводами типа CSP (размером с кристалл);
класс Z – используются комплексно-смешанные наборы ТМК и ПМК, в том числе ПМК типа QFTP, а также бескорпусные СБИС (УБИС) типа СОВ, включая разнообразие организации их выводов (шариковые, ленточные на гибком носителе и др.), например, типа ТСР, т.е. ПМК самых сложных конструкций.
Указывая тип и класс, конструкторско-технологической разновидности реализации конкретной ячейки ЭУ, несложно найти его аналогию среди вариантов I – IV, рассмотренных ранее (см. рис. 9.5). Например, разновидность типа 1 класса А (т.е. 1А) соответствует варианту IVа; 1В – соответствует варианту Iа; 1С – варианту IIIа; 1X, 1Y, 1Z – варианту IIIа с соответствующим усложнением алгоритма реализации; 2А – варианту IVб, который как бесперспективный, используется крайне редко; 2В– варианту Iб; 2С – может соответствовать варианту II, либо IIIб, либо IIIв, либо IIIг в зависимости от компоновочной схемы ячейки и технологической совместимости сборочно-монтажных операций для ТМК и ПМК. Каждая из разновидностей 2X, 2Y, 2Z может соответствовать варианту IIIб, либо IIIв, либо IIIг с существенным усложнением алгоритма реализации сборочно-монтажных операций в зависимости от их технологической совместимости, связанной со степенью сложности конструкций ПМК и характером их размещения на плате. Типы 1 и 2 ячеек классов Y и Z в настоящее время осваиваются отечественной промышленностью.